雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在氣候可行性論證本地化應(yīng)用提升

陽薇，曾毓琳，胡靜，劉誼；郭媛；陳貽亮

1.廣西壯族自治區(qū)桂林市氣象局；2.廣西壯族自治區(qū)防雷中心；3.廣西壯族自治區(qū)梧州市氣象局

在嚴(yán)重依賴資源、污染嚴(yán)重的惡劣環(huán)境下，風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，越來越受到世界各國(guó)的關(guān)注，隨著風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的大力建設(shè)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行也越來越受到人們的關(guān)注。在影響風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的諸多因素中，人們不能不注意到雷電災(zāi)害對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的危害和對(duì)人員生命安全的威脅。

由于大多數(shù)風(fēng)扇和輸電線路是在真空區(qū)建造的，在閃電形成的大氣電場(chǎng)中，相對(duì)于周圍環(huán)境而言，它們往往是一個(gè)非常重要的目標(biāo)，容易受到峰值放電和閃電的影響，從而可能對(duì)風(fēng)扇葉片造成損害，從而使電池組處于孤立狀態(tài)，對(duì)設(shè)備和電路造成嚴(yán)重?fù)p壞。

雖然科學(xué)和合理的防雷措施，例如在電線桿上安裝尖端的防雷系統(tǒng)和防雷裝置，可以減少閃電的危險(xiǎn)，但風(fēng)力發(fā)電裝置仍然無法保證安全，閃電已成為自然災(zāi)害。因此，雷電災(zāi)害也是規(guī)劃和設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)和輸電線路時(shí)必須考慮的重要天氣參數(shù)。

本文結(jié)合氣候論證現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，將風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)分為兩個(gè)系統(tǒng)，具有通用災(zāi)害因子和類別下墊層特征，其中下墊層特征分為區(qū)域特征和抗災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估兩個(gè)子系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)選擇區(qū)域特征和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)兩個(gè)評(píng)估子系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo)，建立綜合分析區(qū)域、地形、地質(zhì)和環(huán)境遭受雷電影響程度的評(píng)估模型；泛災(zāi)害因子參考廣西氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查的技術(shù)成果，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖紙?zhí)砑雍图夹g(shù)應(yīng)用，綜合分析雷電觀測(cè)數(shù)據(jù)和雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征，分析論證區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

以廣西西北某風(fēng)電場(chǎng)為評(píng)價(jià)對(duì)象，在綜合模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法和分析層次過程的基礎(chǔ)上，結(jié)合雷電風(fēng)險(xiǎn)、區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)算符分析，結(jié)合雷電天數(shù)和雷電在目標(biāo)位置的特點(diǎn)、地形和土壤特點(diǎn)，環(huán)境特性和物體特性，區(qū)域防雷能力水平。

一、模糊層次分析法

（一）三角函數(shù)定義

三角函數(shù)是指宇宙R上的模糊數(shù)M，其隸屬函數(shù)μM:R→［0,1］表示為μμ（x）=（x-1）/（m-1），x∈[1，m]；μΜ（x）=（x-u）/（m-u），x∈[m，u]μ（x）=0，其他。其中l(wèi)≤m≤u，l和u表示m的上下限。u-l的值越大，模糊度越強(qiáng)。M是當(dāng)模糊集M的隸屬度為1時(shí)的值。模糊數(shù)m可以表示為（l，m，u）。

（二）構(gòu)造模糊判斷矩陣。

根據(jù)三角模糊數(shù)的定義，對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較和判斷，形成如下模糊判斷矩陣：R=（lij，mij，uij）n×n，i，j=1，2。。。，n

（三）去模糊

去模糊的目的是將模糊判斷矩陣轉(zhuǎn)化為非模糊判斷矩陣，以便在非模糊環(huán)境中直接應(yīng)用AHP方法。

（四）一致性檢查

通過提取通過成對(duì)比較每一層因素的判斷信息的最可能估計(jì)值而獲得的判斷矩陣作為參考，如果參考矩陣滿足一致性要求，則近似認(rèn)為三角模糊判斷矩陣也滿足一致性測(cè)試。

二、風(fēng)電場(chǎng)雷電災(zāi)害區(qū)域評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型

圖1顯示了評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)雷暴災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的層次模型，包括雷暴日、雷電路徑、雷電密度和雷電強(qiáng)度四個(gè)指標(biāo)的雷電特征、區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)（包括影響雷電放電的區(qū)域環(huán)境）、土壤結(jié)構(gòu)、地形和環(huán)境三個(gè)指標(biāo)。根據(jù)區(qū)域內(nèi)容、設(shè)施特性、施工特點(diǎn)，包括電子電氣系統(tǒng)三項(xiàng)指標(biāo)，分別選擇相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)，分析風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，建立相應(yīng)的評(píng)估計(jì)算模型。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)雷電災(zāi)害區(qū)域評(píng)估層次結(jié)構(gòu)模型

三、指標(biāo)隸屬度的計(jì)算方法

（一）定量參數(shù)隸屬度的計(jì)算

量化指標(biāo)參數(shù)可以量化指標(biāo)參數(shù)，包括閃電日、閃電密度、雷電流強(qiáng)度、土壤電阻率、土壤垂直分層、土壤水平分層、電磁環(huán)境、人數(shù)、占地面積、等效高度。以雷電日為例，若評(píng)估對(duì)象的雷電日數(shù)為46.6d，結(jié)合雷電日的五個(gè)等級(jí)，根據(jù)隸屬函數(shù)和表1，v1、v2、v3、v4、v5分別為10、30、50、75、227.5(取等級(jí)范圍的中間值)。根據(jù)最小隸屬函數(shù)處理方法，閃電日的隸屬度按下式計(jì)算，Rd=雷擊密度。

表1 雷電日分級(jí)和隸屬度

（二）定性參數(shù)隸屬度的計(jì)算

定性參數(shù)包括:雷電路徑、地形、安全距離、相對(duì)高度、使用性質(zhì)、影響程度、材料結(jié)構(gòu)、電子系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)。

確定定性指標(biāo)的隸屬度，只需將收集到的數(shù)據(jù)與分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，如果符合某一風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的描述，則完全隸屬于該風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，隸屬度等于1。

四、指標(biāo)隸屬度計(jì)算結(jié)果

（一）區(qū)域雷擊風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的隸屬度

1.閃電日

風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)的雷電日數(shù)為81.04天，根據(jù)雷電日分類標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目雷電日等級(jí)為四級(jí)。根據(jù)定量指標(biāo)隸屬度的確定方法和雷電日分類標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算工程所在地區(qū)雷電日的隸屬度。見表2。

表2 雷電日分級(jí)和隸屬度

2.閃電路徑

閃電路徑越集中，銳度越大，危險(xiǎn)等級(jí)越高。根據(jù)《雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范》(QX/T 85-2018)，雷電路徑分為五個(gè)等級(jí)。分析本風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域雷路徑的分布特征，判斷雷路徑的隸屬度。見表3。

表3 雷電路徑隸屬度

3.雷擊密度

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域雷擊密度2.44次/km2·a，判斷出雷擊密度的隸屬度，見表4。

表4 雷擊密度分級(jí)和隸屬度

（4）雷電流強(qiáng)度

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域平均地閃強(qiáng)度為36.28kA，判斷出雷電流強(qiáng)度隸屬度，見表5。

表5 雷電流強(qiáng)度分級(jí)和隸屬度

（二）區(qū)域地域風(fēng)險(xiǎn)各指標(biāo)隸屬度

1.土壤結(jié)構(gòu)

（1）土壤電阻率

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，工程區(qū)土壤電阻率為537ω·m，并計(jì)算了土壤電阻率的隸屬度。見表6。

表6 土壤電阻率分級(jí)和隸屬度

（2）土壤垂直分層

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)土壤垂直分層電阻率值為36Ω·m，計(jì)算得到土壤垂直分層的隸屬度，見表7。

表7 土壤垂直分層隸屬度

（3）土壤水平分層

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)土壤水平分層電阻率值為52Ω·m，計(jì)算得到土壤水平分層的隸屬度，見表8。

表8 土壤水平分層分層和隸屬度

2.地形地貌

根據(jù)《雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范（QX/T 85-2018）》，地形地貌危險(xiǎn)分為五個(gè)等級(jí)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)地形地貌以丘陵為主，判斷出項(xiàng)目地形地貌的隸屬度為Ⅱ級(jí)，見表9。

表9 地形地貌、安全距離分級(jí)

3.周邊環(huán)境

（1）安全距離

根據(jù)《雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范（QX/T 85-2018）》，安全距離分為五個(gè)等級(jí)。項(xiàng)目區(qū)域外部2km處有村莊，判斷項(xiàng)目安全距離的隸屬度為Ⅰ級(jí)，見表9。

（2）相對(duì)高度

根據(jù)《雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范（QX/T 85-2018）》，相對(duì)高度分為五個(gè)等級(jí)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，項(xiàng)目區(qū)域外無任何可接閃物。根據(jù)定性指標(biāo)隸屬度的確定方法和相對(duì)高度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可判斷出相對(duì)高度的隸屬度為Ⅴ級(jí)。

（3）電磁環(huán)境

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，項(xiàng)目與周邊高點(diǎn)的最近距離取800m，所以根據(jù)公式求出周邊最近高點(diǎn)一旦遭受656.7kA的雷電流所對(duì)應(yīng)的電磁強(qiáng)度B0，B0=2×10-3I/Sa（注：B0的單位為Gs），求出它對(duì)該評(píng)估區(qū)域產(chǎn)生10.50Gs的電磁影響。根據(jù)定量指標(biāo)隸屬度的確定方法和電磁影響分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可判斷出電磁環(huán)境的隸屬度為Ⅳ級(jí)，見表10。

表10 電磁環(huán)境分級(jí)和隸屬度